DE102014109687B4 - Position determination of an object in the beam path of an optical device - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Bestimmen einer Position (150) eines Objekts (100) parallel zur optischen Achse (120) einer optischen Vorrichtung (1), wobei das Verfahren umfasst:- Beleuchten des Objekts (100) aus einer ersten Beleuchtungsrichtung (210-1) und Erfassen eines ersten Bilds (230-1) des Objekts (100) während des Beleuchtens,- Beleuchten des Objekts (100) aus einer zweiten Beleuchtungsrichtung (210-2) und Erfassen eines zweiten Bilds (230-2) des Objekts (100) während des Beleuchtens,- Bestimmen eines Abstands (250) zwischen Abbildungsorten (220-1, 220-2) des Objekts (100) in dem ersten Bild (230-1) und in dem zweiten Bild (230-2),- Bestimmen einer Position (150) des Objekts (100) parallel zur optischen Achse (120) basierend auf dem Abstand (250), wobei die erste Beleuchtungsrichtung (210-1) durch einen ersten Winkel (251-1) gegenüber der optischen Achse (120) charakterisiert ist,wobei die zweite Beleuchtungsrichtung (210-2) durch einen zweiten Winkel (251-2) gegenüber der optischen Achse (120) charakterisiert ist,wobei das Bestimmen der Position (150) des Objekts (100) weiterhin auf dem ersten Winkel (251-1) und auf dem zweiten Winkel (251-2) basiert.A method for determining a position (150) of an object (100) parallel to the optical axis (120) of an optical device (1), the method comprising: - illuminating the object (100) from a first illumination direction (210-1) and detecting a first image (230-1) of the object (100) during the illumination, - illuminating the object (100) from a second illumination direction (210-2) and capturing a second image (230-2) of the object (100) during the Illuminating, - determining a distance (250) between imaging locations (220-1, 220-2) of the object (100) in the first image (230-1) and in the second image (230-2), - determining a position ( 150) of the object (100) parallel to the optical axis (120) based on the distance (250), the first illumination direction (210-1) being characterized by a first angle (251-1) with respect to the optical axis (120), the second direction of illumination (210-2) by a second angle (251-2) with respect to the optical axis (120), wherein the determination of the position (150) of the object (100) is further based on the first angle (251-1) and on the second angle (251-2).
Description
Verschiedene Aspekte betreffen ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Objekts parallel zur optischen Achse einer optischen Vorrichtung und eine entsprechende Vorrichtung.Various aspects relate to a method for determining a position of an object parallel to the optical axis of an optical device and a corresponding device.
Das Bestimmen der Position eines abzubildenden Objekts parallel zur optischen Achse einer optischen Vorrichtung (z-Position) kann aus verschiedenen Gründen erstrebenswert sein. So kann es mittels der bekannten z-Position möglich sein, das Objekt möglichst gut innerhalb der Fokusebene der optischen Vorrichtung zu positionieren, um derart ein besonders scharfes Abbild des Objekts erzeugen zu können. Bei senkrecht zur optischen Achse ausgedehnten Objekten kann es erstrebenswert sein, die z-Position für verschiedene Punkte des Objekts senkrecht zur optischen Achse zu bestimmen, um den relevanten Bildausschnitts fokussieren zu können. Es kann auch erstrebenswert sein, mittels optischer Techniken ein Höhenprofil des Objekts zu erstellen.The determination of the position of an object to be imaged parallel to the optical axis of an optical device (z position) can be desirable for various reasons. Thus, by means of the known z position, it can be possible to position the object as well as possible within the focal plane of the optical device in order to be able to produce a particularly sharp image of the object in this way. In the case of objects extended perpendicular to the optical axis, it may be desirable to determine the z position for different points of the object perpendicular to the optical axis in order to be able to focus on the relevant image section. It may also be desirable to create a height profile of the object using optical techniques.
Bestehende Techniken erlauben ein Bestimmen der z-Position z.B. über eine Positionierung des Objekts an verschiedenen Referenzpositionen. Anhand einer Schärfe des Objekts and den verschiedenen Referenzpositionen kann dann beurteilt werden, ob sich das Objekt in der Fokusebene befindet oder nicht. Jedoch kann es häufig nur mit einer eingeschränkten Genauigkeit möglich sein, eine Schärfe des Objekts zu bestimmen. Deshalb kann eine solche vorbekannte Technik vergleichsweise ungenau sein. Ferner sind interferometrische Techniken zum Bestimmen der z-Position bekannt. Solche Techniken erlauben eine vergleichsweise hohe Genauigkeit beim Bestimmen der z-Position; die entsprechenden Vorrichtungen können aber vergleichsweise kompliziert und teuer sein.Existing techniques allow the z position to be determined e.g. by positioning the object at different reference positions. A sharpness of the object at the various reference positions can then be used to assess whether the object is in the focal plane or not. However, it can often only be possible with a limited accuracy to determine a sharpness of the object. Therefore, such a prior art technique can be comparatively inaccurate. Interferometric techniques for determining the z position are also known. Such techniques allow a comparatively high accuracy when determining the z position; the corresponding devices can, however, be comparatively complicated and expensive.
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zum Bestimmen einer Position eines Objekts parallel zur optischen Achse einer optischen Vorrichtung. Insbesondere besteht ein Bedarf für solche Techniken, welche vergleichsweise einfach in optische Vorrichtungen zu implementieren sind, d.h. keine oder nur wenige bauliche Veränderungen benötigen, und die eine vergleichsweise hohe Genauigkeit des Bestimmens der Position ermöglichen.Therefore, there is a need for improved techniques for determining a position of an object parallel to the optical axis of an optical device. In particular, there is a need for such techniques that are comparatively easy to implement in optical devices, i.e. require little or no structural changes, and which allow a comparatively high accuracy of determining the position.
Diese Aufgabe wird von den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.This task is solved by the independent claims. The dependent claims define embodiments.
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Anmeldung ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Objekts parallel zur optischen Achse einer optischen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst das Beleuchten des Objekts aus einer ersten Beleuchtungsrichtung und das Erfassen eines ersten Bilds des Objekts während des Beleuchtens. Das Verfahren umfasst weiterhin das Beleuchten des Objekts aus einer zweiten Beleuchtungsrichtung und das Erfassen eines zweiten Bilds des Objekts während des Beleuchtens. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bestimmen eines Abstands zwischen Abbildungsorten des Objekts in dem ersten Bild und dem zweiten Bild. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bestimmen einer Position des Objekts parallel zur optischen Achse basierend auf dem Abstand.In one aspect, the present application relates to a method for determining a position of an object parallel to the optical axis of an optical device. The method includes illuminating the object from a first illumination direction and capturing a first image of the object during the illumination. The method further comprises illuminating the object from a second illumination direction and capturing a second image of the object during the illumination. The method further includes determining a distance between imaging locations of the object in the first image and the second image. The method further includes determining a position of the object parallel to the optical axis based on the distance.
In anderen Worten kann es also möglich sein, das Objekt sequentiell aus der ersten und zweiten Beleuchtungsrichtung zu beleuchten und jeweils ein Bild des Objekts zu erfassen. Insbesondere können die erste Beleuchtungsrichtung und/oder die zweite Beleuchtungsrichtung einen Winkel mit derjenigen Achse der optischen Vorrichtung einschließen, entlang derer ein idealisierter Lichtstrahl keine oder nur eine geringe Ablenkung erfährt (optische Achse). In einem solchen Fall kann der Abbildungsort des Objekts in einem entsprechenden Bild verschoben sein, sofern sich das Objekt nicht in der Fokusebene der optischen Vorrichtung befindet. Durch das Bestimmen des Abstands in Bezug auf die erste und zweite Beleuchtungsrichtung kann es möglich sein, Rückschlüsse auf die Position zu ziehen.In other words, it may be possible to illuminate the object sequentially from the first and second illumination directions and to capture an image of the object in each case. In particular, the first illumination direction and / or the second illumination direction can enclose an angle with that axis of the optical device along which an idealized light beam experiences no or only a slight deflection (optical axis). In such a case, the imaging location of the object can be shifted in a corresponding image, provided that the object is not in the focal plane of the optical device. By determining the distance in relation to the first and second direction of illumination, it may be possible to draw conclusions about the position.
Bestimmen der Position kann hierbei bedeuten: quantitatives Bestimmen der Position, z.B. in Bezug auf die Fokusebene oder in Bezug auf ein sonstiges geeignetes Referenzsystem der optischen Vorrichtung; und/oder qualitatives Bestimmen der Position, z.B. in Bezug auf das Kriterium, ob eine bestimmte vorgegebene Position parallel zur optischen Achse, wie z.B. die Fokusebene, erreicht ist oder nicht.Determining the position can mean: quantitative determination of the position, e.g. in relation to the focal plane or in relation to another suitable reference system of the optical device; and / or determining the position qualitatively, e.g. with regard to the criterion whether a certain predetermined position is parallel to the optical axis, e.g. the focus level, is reached or not.
Die erste Beleuchtungsrichtung ist charakterisiert durch einen ersten Winkel gegenüber der optischen Achse und die zweite Beleuchtungsrichtung durch einen zweiten Winkel gegenüber der optischen Achse charakterisiert ist. Das Bestimmen der Position des Objektsbasiert weiterhin auf dem ersten Winkel und auf dem zweiten Winkel. In einem solchen Fall kann es insbesondere möglich sein, dass das Bestimmen der Position des Objekts weiterhin umfasst: Quantifizieren der Position des Objekts in Bezug auf die Fokusebene der optischen Vorrichtung anhand von trigonometrischen Beziehungen zwischen den Winkeln und dem Abstand.The first direction of illumination is characterized by a first angle with respect to the optical axis and the second direction of illumination is characterized by a second angle with respect to the optical axis. Determining the position of the object continues to be based on the first angle and the second angle. In such a case, it can in particular be possible that the determination of the position of the object further comprises: quantifying the position of the object with respect to the focal plane of the optical device on the basis of trigonometric relationships between the angles and the distance.
Mit einem solchen Ansatz kann es möglich sein, z.B. allein basierend auf dem ersten und zweiten Bild eine vergleichsweise genaue Bestimmung der Position des Objekts parallel zur optischen Achse durchzuführen. Insbesondere kann es entbehrlich sein, z.B. eine Serie von verschiedenen Bildern des Objekts für verschiedene Referenzpositionen des Objekts parallel zur optischen Achse durchzuführen. In anderen Worten kann es möglich sein, die Position des Objekts nur anhand der Bilder für verschiedene Beleuchtungsrichtungen zu bestimmen; es kann entbehrlich sein, das Objekt mechanisch parallel zur optischen Achse zu verschieben. Dies kann ein besonders schnelles und genaues Bestimmen der Position ermöglichen. Dies kann eine besonders einfache Implementierung des entsprechenden Messvorgangs ermöglichen. Z.B. kann es möglich sein, im Vergleich zu herkömmlichen optischen Vorrichtungen, wie z.B. Mikroskopievorrichtungen, lediglich eine Beleuchtungsvorrichtung der optischen Vorrichtung zu verändern; z.B. kann es möglich sein, dass eine Detektionsvorrichtung der optischen Vorrichtung unverändert bleibt.With such an approach, it may be possible, for example, to carry out a comparatively precise determination of the position of the object parallel to the optical axis based solely on the first and second image. In particular, it can be unnecessary, for example, to carry out a series of different images of the object for different reference positions of the object parallel to the optical axis. In other words, it may be possible Determine the position of the object only on the basis of the images for different lighting directions; it may not be necessary to move the object mechanically parallel to the optical axis. This can enable the position to be determined particularly quickly and precisely. This can enable a particularly simple implementation of the corresponding measurement process. For example, in comparison to conventional optical devices, such as microscopy devices, it may be possible to change only one illumination device of the optical device; For example, it may be possible for a detection device of the optical device to remain unchanged.
Die vorliegende Anmeldung umfasst ferner ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Objekts parallel zur optischen Achse einer optischen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst: Beleuchten des Objekts aus einer ersten Beleuchtungsrichtung und Erfassen eines ersten Bilds des Objekts während des Beleuchtens, Beleuchten des Objekts aus einer zweiten Beleuchtungsrichtung und Erfassen eines zweiten Bilds des Objekts während des Beleuchtens, Bestimmen eines Abstands zwischen Abbildungsorten des Objekts in dem ersten Bild und in dem zweiten Bild, Bestimmen einer Position des Objekts parallel zur optischen Achse basierend auf dem Abstand, und Positionieren des Objekts an verschiedenen Referenzpositionen parallel zur optischen Achse. Das Verfahren kann z.B. für jede der Referenzpositionen parallel zur optischen Achse das Beleuchten des Objekts aus der ersten Beleuchtungsrichtung und das Erfassen des ersten Bilds und das Beleuchten des Objekts aus der zweiten Beleuchtungsrichtung und das Erfassen des zweiten Bilds und das Bestimmen des Abstands umfassen. Das Bestimmen der Position des Objekts kann dann umfassen: Minimieren des Abstands für die verschiedenen Referenzpositionen. In einem solchen Fall kann es insbesondere möglich sein, die Position des Objekts parallel zur optischen Achse qualitativ zu bestimmen. Zum Beispiel kann für den Fall, dass der Abstand minimal wird, angenommen werden, dass die entsprechende Referenzposition parallel zur optischen Achse in oder nahe bei der Fokusebene liegt. Z.B. können zwei, drei oder mehr Referenzpositionen verwendet werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Beleuchtungsrichtungen in Abhängigkeit der Referenzposition anzupassen. Es kann auch vorgesehen sein, für die verschiedenen Referenzpositionen mehr als zwei Bilder aus mehr als zwei Beleuchtungsrichtungen zu erfassen. Derart können mehrere Abbildungsorte bestimmt werden bzw. redundante Informationen erhalten werden, wodurch eine besonders genaue Positionsbestimmung ermöglicht wird. Insbesondere in Szenarien, in denen das Objekt eine gewisse Periodizität aufweist bzw. eine periodische Struktur ist, kann derart ein besonders genaues Bestimmen der Position möglich sein.The present application further includes a method for determining a position of an object parallel to the optical axis of an optical device. The method includes: illuminating the object from a first illumination direction and capturing a first image of the object during the illumination, illuminating the object from a second illumination direction and capturing a second image of the object during the illumination, determining a distance between imaging locations of the object in the first Image and in the second image, determining a position of the object parallel to the optical axis based on the distance, and positioning the object at different reference positions parallel to the optical axis. The method can e.g. for each of the reference positions parallel to the optical axis include illuminating the object from the first illumination direction and capturing the first image and illuminating the object from the second illumination direction and capturing the second image and determining the distance. Determining the position of the object can then include: minimizing the distance for the different reference positions. In such a case, it may in particular be possible to qualitatively determine the position of the object parallel to the optical axis. For example, in the event that the distance becomes minimal, it can be assumed that the corresponding reference position is parallel to the optical axis in or close to the focal plane. E.g. two, three or more reference positions can be used. In principle, it is also possible to adapt the directions of illumination as a function of the reference position. Provision can also be made for capturing more than two images from more than two illumination directions for the different reference positions. In this way, multiple imaging locations can be determined or redundant information can be obtained, which enables a particularly precise position determination. Particularly in scenarios in which the object has a certain periodicity or is a periodic structure, a particularly precise determination of the position can be possible in this way.
Im Allgemeinen kann es möglich sein, z.B. im Anschluss an das Bestimmen der Position des Objekts, eine Fokuseinheit der optischen Vorrichtung anzusteuern, zum Positionieren des Objekts in der Fokusebene der optischen Vorrichtung in Abhängigkeit der bestimmten Position. Derart kann es möglich sein, eine besonders schnelle und zuverlässige und genaue Fokussierung auf das Objekt vorzunehmen. Nachfolgend können dann Bilder des Objekts erfasst werden, die eine besonders hohe Qualität aufweisen.In general it may be possible e.g. following the determination of the position of the object to control a focus unit of the optical device, for positioning the object in the focus plane of the optical device as a function of the determined position. In this way it can be possible to focus on the object in a particularly fast, reliable and precise manner. Subsequently, images of the object can be captured that have a particularly high quality.
Zum Bestimmen des Abstands können verschiedene Techniken Anwendung finden. Zum Beispiel kann das Bestimmen des Abstands umfassen: Bestimmen eines ersten Referenzpunkts des Objekts in dem ersten Bild und Bestimmen eines zweiten Referenzpunkts in dem zweiten Bild. Der Abstand kann zwischen dem ersten Referenzpunkt und dem zweiten Referenzpunkt bestimmt werden. Der erste und zweite Referenzpunkt können einem bestimmten Teil des Objekts entsprechen. Durch geeignete Wahl des Referenzpunkts kann der Abstand besonders genau bestimmt werden.Various techniques can be used to determine the distance. For example, determining the distance may include determining a first reference point of the object in the first image and determining a second reference point in the second image. The distance can be determined between the first reference point and the second reference point. The first and second reference points can correspond to a certain part of the object. The distance can be determined particularly precisely by a suitable choice of the reference point.
Im Allgemeinen ist die Wahl eines geeigneten Referenzpunkts nicht besonders beschränkt. Insbesondere kann es erstrebenswert sein, einen Referenzpunkt zu wählen, der sowohl in dem ersten Bild, als auch in dem zweiten Bild mit einer vergleichsweise hohen Zuverlässigkeit und Genauigkeit aufgefunden und bestimmt werden kann. Dann kann eine Genauigkeit der bestimmten Position vergleichsweise hoch sein. Als Referenzpunkte kämen z.B. in Frage: markante Merkmale des Objekts; Landmarken; maschinenlesbare Zeichen; durch einen Benutzer festgelegte Punkte, usf.In general, the choice of a suitable reference point is not particularly limited. In particular, it may be desirable to choose a reference point that can be found and determined both in the first image and in the second image with a comparatively high reliability and accuracy. Then an accuracy of the determined position can be comparatively high. The reference points would be e.g. in question: distinctive features of the object; Landmarks; machine readable characters; points set by a user, etc.
Sofern das Objekt eine signifikante Ausdehnung senkrecht zur optischen Achse aufweist, kann die Wahl des Referenzpunkts einen Einfluss darauf haben, für welchen Teil des Objekts die Position bestimmt wird. Dies kann insbesondere in solchen Szenarien von Bedeutung sein, in denen das Objekt ein signifikantes Höhenprofil aufweist. Dann kann nämlich ein Szenario auftreten, bei dem die Fokussierung eines Teils des Objekts einhergeht mit der Defokussierung eines anderen Teils des Objekts. In einem solchen Fall kann es erstrebenswert sein, eine sog. Fokusmap zu erzeugen, d.h. z.B. senkrecht zur optischen Achse ortsaufgelöste Information über die Position des Objekts zu bestimmen.If the object has a significant extent perpendicular to the optical axis, the choice of the reference point can have an influence on the part of the object for which the position is determined. This can be particularly important in scenarios in which the object has a significant height profile. A scenario can then occur in which the focusing of one part of the object goes hand in hand with the defocusing of another part of the object. In such a case, it may be desirable to create a so-called focus map, i.e. e.g. to determine spatially resolved information about the position of the object perpendicular to the optical axis.
Zum Beispiel kann das Bestimmen des Abstands für mehrere Paare von ersten Referenzpunkten und zweiten Referenzpunkten durchgeführt werden. Das Bestimmen der Position des Objekts kann ortsaufgelöst in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse geschehen und auf den mehreren Paaren von ersten Referenzpunkten und zweiten Referenzpunkten basieren. Derart kann es z.B. möglich sein, gezielt einzelne Teile des Objekts in einer Fokusebene der optischen Vorrichtung zu positionieren. Dies kann insbesondere bei senkrecht zur optischen Achse ausgedehnten Proben erstrebenswert sein.For example, the distance can be determined for several pairs of first reference points and second reference points. The position of the object can be determined in a location-resolved manner in a plane perpendicular to the optical axis and based on the plurality of pairs of first reference points and second reference points. In this way it can be possible, for example to selectively position individual parts of the object in a focal plane of the optical device. This can be particularly desirable in the case of samples extended perpendicular to the optical axis.
Typischerweise korreliert eine Genauigkeit des Bestimmens der Position des Objekts parallel zur bzw. entlang der optischen Achse mit einer Genauigkeit des Bestimmens des Abstands zwischen den Abbildungsorten des Objekts in dem ersten Bild und dem zweiten Bild. Dies bedeutet, dass es erstrebenswert sein kann, den Abstand zwischen den Abbildungsorten besonders genau zu bestimmen. Zum Beispiel kann der Abstand mittels Techniken bestimmt werden, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: Landmarkenerkennung; Bestimmen eines optischen Schwerpunkts des Objekts in dem ersten Bild und/oder dem zweiten Bild; eine Benutzereingabe; Aberrationskorrektur.Typically, an accuracy of determining the position of the object parallel to or along the optical axis correlates with an accuracy of determining the distance between the imaging locations of the object in the first image and the second image. This means that it may be desirable to determine the distance between the imaging locations particularly precisely. For example, the distance can be determined using techniques selected from the following group: landmark recognition; Determining an optical center of gravity of the object in the first image and / or the second image; a user input; Aberration correction.
Zum Beispiel kann es möglich sein, durch Berücksichtigen von vorbekannten Aberrationen z.B. in der Beleuchtungsvorrichtung der optischen Vorrichtung und/oder in der Detektoroptik der optischen Vorrichtung Verzerrungen in dem ersten und zweiten Bild, die zu einer Verschiebung der Abbildungsorte des Objekts führen können, zu berücksichtigen. Solche Verschiebungen können dann herausgerechnet werden bzw. rechnerisch reduziert werden und der tatsächliche Abstand besonders genau bestimmt werden.For example, it may be possible to take into account known aberrations e.g. in the illumination device of the optical device and / or in the detector optics of the optical device to take into account distortions in the first and second images, which can lead to a shift in the imaging locations of the object. Such shifts can then be calculated out or reduced mathematically and the actual distance can be determined particularly precisely.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Anmeldung eine optische Vorrichtung. Die optische Vorrichtung ist eingerichtet, um eine Position eines Objekts parallel zur bzw. entlang der optischen Achse der optischen Vorrichtung zu bestimmen. Die optische Vorrichtung umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung. Die Beleuchtungsvorrichtung ist eingerichtet, um das Objekt aus einer ersten Beleuchtungsrichtung und aus einer zweiten Beleuchtungsrichtung zu beleuchten. Die optische Vorrichtung umfasst ferner einen Detektor, der eingerichtet ist, um ein erstes Bild des Objekts während des Beleuchtens aus der ersten Beleuchtungsrichtung zu erfassen. Der Detektor ist weiterhin eingerichtet, um ein zweites Bild des Objekts während des Beleuchtens aus der zweiten Beleuchtungsrichtung zu erfassen. Die optische Vorrichtung umfasst weiterhin eine Recheneinheit, die eingerichtet ist, um einen Abstand zwischen Abbildungsorten des Objekts in dem ersten Bild und in dem zweiten Bild zu bestimmen. Die Recheneinheit ist weiterhin eingerichtet, um eine Position des Objekts parallel zur optischen Achse basierend auf dem Abstand zu bestimmen, wobei die erste Beleuchtungsrichtung durch einen ersten Winkel gegenüber der optischen Achse charakterisiert, die zweite Beleuchtungsrichtung durch einen zweiten Winkel gegenüber der optischen Achse charakterisiert ist und die Recheneinheit eingerichtet ist, um die Position des Objekts weiterhin basierend auf dem ersten Winkel und auf dem zweiten Winkel zu bestimmen.According to a further aspect, the present application relates to an optical device. The optical device is set up to determine a position of an object parallel to or along the optical axis of the optical device. The optical device comprises a lighting device. The lighting device is set up to illuminate the object from a first lighting direction and from a second lighting direction. The optical device further comprises a detector which is set up to acquire a first image of the object during the illumination from the first direction of illumination. The detector is also set up to acquire a second image of the object during the illumination from the second direction of illumination. The optical device further comprises a computing unit which is set up to determine a distance between imaging locations of the object in the first image and in the second image. The computing unit is also set up to determine a position of the object parallel to the optical axis based on the distance, the first illumination direction being characterized by a first angle with respect to the optical axis, the second illumination direction being characterized by a second angle with respect to the optical axis and the computing unit is set up to further determine the position of the object based on the first angle and on the second angle.
Die vorliegende Anmeldung umfasst ferner eine optische Vorrichtung, die eingerichtet ist, um eine Position eines Objekts parallel zur optischen Achse der optischen Vorrichtung zu bestimmen. Die optische Vorrichtung umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung, einen Detektor und eine Recheneinheit. Die Beleuchtungsvorrichtung ist eingerichtet, um das Objekt aus einer ersten Beleuchtungsrichtung und aus einer zweiten Beleuchtungsrichtung zu beleuchten. Der Detektor ist eingerichtet, um ein erstes Bild des Objekts während des Beleuchtens aus der ersten Beleuchtungsrichtung zu erfassen und ein zweites Bild des Objekts während des Beleuchtens aus der zweiten Beleuchtungsrichtung zu erfassen. Die Recheneinheit ist eingerichtet, um einen Abstand zwischen Abbildungsorten des Objekts in dem ersten Bild und in dem zweiten Bild zu bestimmen und eine Position des Objekts parallel zur optischen Achse basierend auf dem Abstand zu bestimmen. Die Recheneinheit ist weiterhin eingerichtet, um einen Probenhalter zum Positionieren des Objekts an verschiedenen Referenzpositionen parallel zur optischen Achse anzusteuern. Die optische Vorrichtung ist für jede Referenzposition parallel zur optischen Achse eingerichtet, um das Beleuchten des Objekts aus der ersten Beleuchtungsrichtung und das Erfassen des ersten Bildes und das Beleuchten des Objekts aus der zweiten Beleuchtungsrichtung und das Erfassen des zweiten Bildes und das Bestimmen des Anstands durchzuführen. Die Recheneinheit ist eingerichtet, um beim Bestimmen der Position des Objekts den Abstand für die verschiedenen Referenzpositionen zu minimieren.The present application further includes an optical device that is configured to determine a position of an object parallel to the optical axis of the optical device. The optical device comprises an illumination device, a detector and a computing unit. The lighting device is set up to illuminate the object from a first lighting direction and from a second lighting direction. The detector is set up to capture a first image of the object during the illumination from the first illumination direction and to capture a second image of the object during the illumination from the second illumination direction. The computing unit is set up to determine a distance between imaging locations of the object in the first image and in the second image and to determine a position of the object parallel to the optical axis based on the distance. The computing unit is also set up to control a sample holder for positioning the object at different reference positions parallel to the optical axis. The optical device is set up for each reference position parallel to the optical axis in order to carry out the illumination of the object from the first illumination direction and the acquisition of the first image and the illumination of the object from the second illumination direction and the acquisition of the second image and the determination of the propriety. The computing unit is set up to minimize the distance for the different reference positions when determining the position of the object.
Zum Beispiel kann die optische Vorrichtung gemäß dem gegenwärtig diskutierten Aspekt eingerichtet sein, um das Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Objekts parallel zur optischen Achse gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung durchzuführen.For example, the optical device in accordance with the aspect currently being discussed may be configured to perform the method for determining a position of an object parallel to the optical axis in accordance with another aspect of the present application.
Für eine solche optische Vorrichtung können Effekte erzielt werden, die vergleichbar sind mit den Effekten, die für das Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Objekts parallel zur optischen Achse gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung erzielt werden können.For such an optical device, effects can be achieved that are comparable to the effects that can be achieved for the method for determining a position of an object parallel to the optical axis according to a further aspect of the present application.
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The features and features set out above, which are described below, can be used not only in the corresponding explicitly stated combinations, but also in further combinations or in isolation, without departing from the scope of protection of the present invention.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
-
1 illustriert eine Position eines Objekts parallel zur optischen Achse einer optischen Vorrichtung. -
2 illustriert Abbildungsorte des Objekts in einem ersten Bild und in einem zweiten Bild, die für verschiedene Beleuchtungsrichtungen aufgenommen sind, fürdas Szenario der 1 . -
3 zeigt schematisch die optische Vorrichtung. -
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Position des Objekts parallel zur optischen Achse. -
5 zeigt das iterative Positionieren des Objekts an verschiedenen Referenzpositionen parallel zur optischen Achse, um die Position qualitativ zu bestimmen. -
6 illustriert eine Abbildung eines Objekt in ersten und zweiten Bildern, wobei das Objekt senkrecht zur optischen Achse ausgedehnt ist, wobei Referenzpunkte zur Bestimmung des Abstands dargestellt sind.
-
1 illustrates a position of an object parallel to the optical axis of an optical device. -
2nd illustrates locations of the object in a first image and in a second image, which are recorded for different lighting directions, for the scenario of FIG1 . -
3rd shows schematically the optical device. -
4th is a flowchart of a method for determining the position of the object parallel to the optical axis. -
5 shows the iterative positioning of the object at different reference positions parallel to the optical axis in order to determine the position qualitatively. -
6 illustrates an image of an object in first and second images, the object being extended perpendicular to the optical axis, with reference points for determining the distance being shown.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden. The present invention is explained in more detail below on the basis of preferred embodiments with reference to the drawings. In the figures, the same reference symbols designate the same or similar elements. The figures are schematic representations of various embodiments of the invention. Elements shown in the figures are not necessarily drawn to scale. Rather, the various elements shown in the figures are reproduced in such a way that their function and general purpose can be understood by the person skilled in the art. Connections and couplings between functional units and elements shown in the figures can also be implemented as an indirect connection or coupling. A connection or coupling can be implemented wired or wireless. Functional units can be implemented as hardware, software or a combination of hardware and software.
Nachfolgend werden Techniken beschrieben, mittels derer eine Position eines Objekts parallel zur optischen Achse einer optischen Vorrichtung (z-Position) bestimmt werden kann. Im dreidimensionalen Raum, der durch x,y,z-Achsen aufgespannt ist, kann also die z-Komponente der Position bestimmt werden; die optische Achse definiert die z-Achse und ist z.B. parallel zu dieser. Basierend auf der bestimmten z-Position kann z.B. eine Fokuseinheit der optischen Vorrichtung angesteuert werden und derart das Objekt in der Fokusebene der optischen Vorrichtung in Abhängigkeit der bestimmten z-Position positioniert werden (Fokussieren des Objekts). Anschließen können Bilder des Objekts erfasst werden, welche das Objekt besonders scharf abbilden. Solche Techniken können in verschiedensten Gebieten Anwendung finden, z.B. in der Mikroskopie oder in der Fluoreszenz-Messung oder parallel zur Phasenkontrast-Bildgebung.Techniques are described below by means of which a position of an object parallel to the optical axis of an optical device (z position) can be determined. In the three-dimensional space spanned by x, y, z axes, the z component of the position can be determined; the optical axis defines the z-axis and is e.g. parallel to this. Based on the determined z position, e.g. a focus unit of the optical device can be controlled and in this way the object can be positioned in the focus plane of the optical device as a function of the determined z position (focusing of the object). Subsequently, images of the object can be captured which depict the object particularly sharply. Such techniques can be used in a wide variety of fields, e.g. in microscopy or in fluorescence measurement or in parallel to phase contrast imaging.
Für den beispielhaften Anwendungsfall der Fluoreszenz-Messung kann es z.B. möglich sein, mittels der nachfolgend beschriebenen Techniken die z-Position vor und / oder während der Fluoreszenz-Messung zu bestimmen. Damit kann sichergestellt werden, dass sich das fluoreszierende Objekt bei der Messung in der Fokusebene der optischen Vorrichtung befindet; derart kann eine Genauigkeit bei der Fluoreszenz-Messung erhöht werden. Die nachfolgend im Detail beschriebenen Techniken beruhen darauf, dass ein erstes Bild und ein zweites Bild unter Beleuchtung des Objekts aus unterschiedlichen ersten und zweiten Beleuchtungsrichtungen ausgewertet wird. Hierbei kann die Beleuchtung z.B. insbesondere mit einer Wellenlänge durchgeführt werden, die außerhalb des Fluoreszenz-aktiven Bereichs der fluoreszierenden Probe liegt. Grundsätzlich kann also gleichzeitig zur Fluoreszenz-Messung die z-Position bestimmt werden. Dies kann es z.B. insbesondere ermöglichen, bewegte Proben als Funktion der Zeit zuverlässig in der Fokusebene zu positionieren. Ferner kann die z-Position im Allgemeinen aus nur zwei Beleuchtungsvorgängen bestimmt werden; auch dadurch kann eine Licht-toxische Wirkung auf das fluoreszierende Objekt reduziert werden. Bei einer Vermessung von Farbstoffen kann die Wellenlänge des Lichts zur Bestimmung der z-Position z.B. außerhalb des Anregungsbereichs der Farbstoffe gewählt werden. Derart kann ein Bleaching der Farbstoffe verringert bzw. vermieden werden. Eine mögliche Wellenlänge des Lichts, die zum Bestimmen der z-Position verwendet wird, läge z.B. im Infrarotbereich.For the exemplary application of fluorescence measurement, it can e.g. be possible to determine the z position before and / or during the fluorescence measurement using the techniques described below. This can ensure that the fluorescent object is in the focal plane of the optical device during the measurement; in this way, an accuracy in the fluorescence measurement can be increased. The techniques described in detail below are based on evaluating a first image and a second image while illuminating the object from different first and second illumination directions. The lighting can e.g. in particular with a wavelength that lies outside the fluorescence-active region of the fluorescent sample. Basically, the z position can be determined simultaneously with the fluorescence measurement. This can e.g. in particular, enable moving samples to be reliably positioned in the focus plane as a function of time. Furthermore, the z position can generally be determined from only two lighting processes; this can also reduce a light-toxic effect on the fluorescent object. When measuring dyes, the wavelength of the light can be used to determine the z position e.g. can be selected outside the range of excitation of the dyes. In this way, bleaching of the dyes can be reduced or avoided. A possible wavelength of light that is used to determine the z position would be e.g. in the infrared range.
In verschiedenen Szenarien können insbesondere bereits Bilder aus verschiedenen Beleuchtungsrichtungen vorhanden sein, ohne dass diese extra für die Fokussierung gemäß vorliegender Techniken erfasst werden müssten. Ein solches Szenario wäre z.B. die Bestimmung eines Phasenkontrast-Bilds etwa mit Techniken der Fourier-Ptychographie. Dann kann es - ohne weitere Lichtexposition des Objekts - möglich sein, die vorliegenden Techniken anzuwenden, um die z-Position zu bestimmen.In particular, images from different directions of illumination can already be present in different scenarios, without these having to be recorded especially for the focusing according to the present techniques. Such a scenario would be e.g. the determination of a phase contrast image using techniques of Fourier ptychography. Then, without further exposure of the object to light, it may be possible to use the techniques at hand to determine the z position.
In
In
Da eine Beleuchtung des Objekts
In
Es wäre aber auch möglich, dass das Bestimmen der z-Position
Für das Szenario der
Unter Anwendung des Sinussatzes für allgemeine Dreiecke erhält man:
Durch Kombination von Gleichung 1 und 2 ergibt sich:
Anhand von Gleichung 3 ist es möglich, basierend auf dem ersten Winkel
Es kann erstrebenswert sein, eine Genauigkeit des Bestimmens der z-Position
Ein Fehler im Abstand
Sofern das Objekt
Es kann also erstrebenswert sein, den Abstand
Eine weitere Begrenzung der Genauigkeit beim Bestimmen der z-Position
Während in den
In der
In
Im Allgemeinen ist es möglich, dass mittels der optischen Vorrichtung
Grundsätzlich können verschiedenste Beleuchtungsvorrichtungen
In
Es wäre aber auch möglich, in Schritt
Wurde in Schritt
Wird in Schritt
In
Zusammenfassend wurden obenstehend Techniken beschrieben, die - z.B. durch Anwenden der Gleichung 3 oder durch Repositionieren des Objekts parallel zur optischen Achse - ein besonders schnelles und genaues Bestimmen der z-Position
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.Of course, the features of the previously described embodiments and aspects of the invention can be combined with one another. In particular, the features can be used not only in the combinations described, but also in other combinations or on their own without leaving the field of the invention.
Zum Beispiel wurden voranstehend insbesondere Techniken beschrieben, bei denen das Objekt aus zwei Beleuchtungsrichtungen beleuchtet wird. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn eine Exposition des Objekts gegenüber Licht minimiert werden soll. Es wäre aber im Allgemeinen auch möglich, eine größere Anzahl von Beleuchtungsrichtungen zu verwenden, z.B. wenn es erforderlich ist, die Position des Objekts parallel zur optischen Achse besonders genau zu bestimmen.For example, techniques have been described above in which the object is illuminated from two directions of illumination. This can be particularly advantageous if exposure of the object to light is to be minimized. However, it would generally also be possible to use a larger number of lighting directions, e.g. if it is necessary to determine the position of the object particularly parallel to the optical axis.
Weiterhin wurden voranstehend in Bezug auf die Figuren hauptsächlich Szenarien diskutiert, bei denen im Wesentlichen das gesamte Objekt fokussiert wird. Im Allgemeinen kann es aber möglich sein, jeweils nur einen relevanten Bildausschnitt, der nur einen Teil des Objekts abbildet, zu fokussieren bzw. die z-Position des relevanten Teils des Objekts zu bestimmen.Furthermore, mainly scenarios were discussed above in relation to the figures, in which essentially the entire object is focused. In general, however, it may be possible to focus only one relevant image section that depicts only part of the object, or to determine the z position of the relevant part of the object.
Ferner wurden voranstehend hauptsächlich solche Szenarien diskutiert, in denen das Objekt senkrecht zur optischen Achse derart positioniert ist, dass es die optische Achse schneidet. Es wäre aber auch möglich, dass das Objekt gegenüber der optischen Achse versetzt ist.Furthermore, mainly those scenarios were discussed above in which the object is positioned perpendicular to the optical axis in such a way that it intersects the optical axis. However, it would also be possible for the object to be offset with respect to the optical axis.
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